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【高校物理】熱力学第一法則をわかりやすく図解で解説【食べた分だけ太る】


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悩んでる人

熱力学第一法則って何??
公式が覚えられない
・代入するときに符号を間違えてしまう

熱力学第一法則の式は

$$\Delta u=W+Q$$

で表されますが、『代入するときに符号を間違えてたり』『公式を間違って暗記』してしまったりして、使いこなせている人も少ないのではないでしょうか。

そこで今回は、熱力学の根幹でもある、『熱力学第一法則』について詳しく話していきます。

この記事を読めば、『熱力学第一法則の使い方』や『符号を間違えずに代入』したりすることができますよ。

✔この記事の内容
・熱力学第一法則は教科書通りに覚えるな!
・公式はイメージで覚える!

この記事の信頼性

浪人時に、勉強法と思考法を変えただけで、記述模試偏差値65以上、センター試験満点近くまで伸ばした『考え方』や『解き方』をギュっと凝縮してまとめています。

熱力学第一法則は熱力学のエネルギー保存の式!

熱力学における気体のエネルギーは、内部エネルギーと呼ばれていて、その値は

$$u=\frac{3}{2}nRT$$

で表されました。

それじゃ、この内部エネルギーを大きくしたければ、どうすればいいか考えよう!

塾長



もし、内部エネルギーが増加したのであれば、エネルギーは勝手には増えないので、外界と何らかのやり取りがあったことになります。


悩んでる人

エネルギーの授受は、力学でやった仕事じゃないですか?

正解!あとは、熱[J]もエネルギーだったね!

塾長

【内部エネルギーが変化する原因】
➀外界から仕事を受ける・する
➁熱をもらう・放出する

以上2つが、内部エネルギーが変化する原因なので、内部エネルギー変化\(\Delta u\)は

$$\Delta u=W+Q$$

と表せます。

これが、一般的な参考書や教科書に書いてある説明だよね!

塾長
悩んでる人

すごいわかりにくいです、、

なので、熱力学第一法則は、以下の形で覚えるようにしましょう。

熱力学第一法則の公式の覚え方

例えば、『最近太ってきたなぁ』と思うことありますよね。

運動しているのにも関わらず太るのは、食べたご飯が多くて、体の内部に脂肪として蓄積するからです。


熱力学第一法則もこれと似ていて、気体が『食べた』熱の一部は外部に対して『仕事』をして、残りは『内部エネルギー』として蓄積されるのです。

その考え方に基づいて、熱力学第一法則は、以下の形で覚えるようにしましょう!

熱力学第一法則

$$Q_{in}=\Delta u+W_{out}$$(食った分)=(脂肪として蓄積)+(外部にした仕事)

悩んでる人

inとかoutとかありますけど、これは何ですか?

in,outは『気体を主役』として考えていて、以下のように考えればいいよ!

塾長

【熱Qについて】
\(Q_{in}\):気体が吸収した熱
\(Q_{out}\):気体が放出した熱
【仕事Wについて】
\(W_{in}\):気体が外部からされた仕事
\(W_{out}\):気体が外部にした仕事

まとめ:熱力学第一法則

今回は、熱力学第一法則について話してきました。

熱力学第一法則

$$Q_{in}=\Delta u+W_{out}$$(食った分)=(脂肪として蓄積)+(外部に仕事)

上の形だと、イメージがつきやすいので、この形で覚えておくようにしましょう!

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しばけん

現役時代センター試験60点台。浪人中予備校に通い神授業に出会う。旧帝大模試で物理偏差値65を叩き出し、その経験を活かして現在は塾で中学生や高校生に数学や物理を指導中。

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